王亚东

1998 年6 月

摘  要：千兆位以太网，可以使用简单的以太网机制为网络提供超过100Mbps的传输速率，具有打破几乎所有带宽瓶颈的潜能。但原有的5类及以下各类电缆已难以适应传输需要，超5类电缆随之应运而生，为适应千兆位以太网布线的需要，人们对新一代的电缆也越来越关注。本文首先介绍了网络传输布线系统、传输电缆及标准的发展历程；然后阐述了千兆位以太网技术特点，对传输介质需求，超5类电缆和5类电缆的性能对比及超5类电缆性能指标要求、技术特性、结构工艺特点等；最后介绍了超5类电缆市场状况和发展潜力。

   关键词：以太网  电缆  通信

    一、概述

    通信技术及计算机技术高速发展,通信网已经由仅仅传输语音发展到需同时传送大容量高速率的话音、数据、图像。从70年代起在原有的大量室内对称电缆布线系统中开始要求传送数字信息，到80年代这个数字信息的传输数率由原来的数千比/秒（kb/s）提升到数兆比/秒（Mb/s），而到了90年代则要求传输100Mb/s或更高的传输数字系列信号。

    目前常用的园区网主干网组网技术有10Mbps以太网（Ethernet），100Mbps 快速以太网（Fast Ethernet），FDDI和ATM。用FDDI组建主干网已经不是很多，主要采用快速以太网和ATM作为主干网组网技术，快速以太网是价格较适中性能较高的组网方式。

　　目前,对称的室内布线系统已广泛应用于楼宇和楼宇群内（校园），它广泛采用无屏蔽对绞电缆（UTP）与光缆作为传输媒体。目前已将5类100欧姆UTP电缆作为LAN（局域网）和商务大楼中进行数据传输的首选标准电缆。这种对称布线系统较同轴电缆的布线系统具有可预埋，改接灵活，可靠性高，成本较低的优点。对称电缆的串音衰减随速率提高而显著下降的缺点，已靠超短节距扭绞与合理的节距配置得到了弥补。近年来开发出来的新型对称数字电缆从结构来说虽与普通市内通信电缆大致相同，但对其性能要求则高的多。因而相应的制造工艺要求也要提高许多。经过多年的努力研究开发目前以研究成功并成批生产了3类到5类的各种不同档次的新型数字电缆。早在1988年ISO/IEC（国际标准化组织／国际电工技术协会）已开始着手对称数字电缆的标准化工作，制定了IEC-1156-1“数字通信用多芯对绞/星绞对称电缆总规范”等标准。世界上最早将对称数字电缆列入国家标准的是美国的EIA/TIA(美国通信工业协会/美国电子工业协会)在1991年制定了EIA/TIA568 “商业大楼电信布线规范”。接着加拿大、澳大利亚把这类标准经过一些小修改也成为国家标准，他们对于IEC标准制定具有较大影响。我国在1996年也制定了YD/T 838.1等系列通信行业标准,其等效采用IEC标准。　

    二、千兆位以太网及其传输介质

    随着企业应用程序日益复杂化（如内联网（Intranet）技术、立体影像、多媒体编程、桌面视像、电脑辅助设计及宽带视像等），许多网管员正在向用户所在的网络边缘提供交换式10BASE－T（10Mbps以太网的物理层规范）和100BASE－T（100Mbps以太网的物理层规范）连接。但是，在台式机和服务器上采用这些先进技术，以及提高网络的访问速度经常会使局域网主干网承受更大的压力，并产生与那些在传统的共享式以太网局域网上类似的瓶颈。

    目前，人们对千兆位以太网（Gigabit Ethernet）寄予了厚望。千兆位以太网这种高速的网络传输技术，具有极高的网络带宽，足以应付各种应用需求：如交换式工作组、公司内部INTRANET、实时多媒体等。100Mbps与1000Mbps信息传输效果比较见表1

表1  100Mbps与1000Mbps信息传输效果一览表

    千兆以太网可以使用简单的以太网机制，为网络提供超过100Mbps的传输速率，由于使用了与前代相同的CSMA／CD（载波侦听多路访问/冲突访问方式）协议、相同的帧结构及帧长，对网络用户，这就意味着可以花费不大的网络投资，也不需要增加网络协议及重新培训其网络用户，就可以扩展至千兆位的速率。千兆位以太网技术看起来与它的前辈以太网和快速以太网很相似，并且它还具有打破几乎所有带宽瓶颈的潜能。

　　千兆位以太网将提供300至400Mbit/s的传输能力，这样的带宽提升对于大多数公司的网络来说是足够了。而并非只有当网络系统的数据带宽达到千兆位每秒时，才需要千兆以太网的连接。其实，从经济的角度来说，即使目前网络的流量还不到千兆，也能从中获益。      千兆位以太网将显著增加纯带宽，以帮助企业迎接负担过重和网络结构不断扩展所带来的挑战。千兆位以太网将极大地缓解局域网主干网所承受的压力，同时为用户提供高效运行数据密集型应用程序所需的能力。

    目前，国际标准化组织正在积极制定“千兆比”在平衡布线系统上的传输规范，IEEEP802．3z是千兆位任务组为1000Mb／s以太网开发的一套标准，其规定了物理层所采用的传输介质及它们分别支持的距离。1000BASE—T是支持1000Mbps的物理层规范，它使用5类 UTP(无屏蔽双绞线)，最大距离达100m。

　　许多人认为5类电缆的数据传输速率最高可达1000Mbps。目的就是突破现在普遍4对5类布线系统上全双工传输速率，达1Gbps。IEEE802．3／1000BASE－T工作组的工作也是在努力开发相应的DSP信令技术，使得在100米的5类布线上全双工地传输速率达1000Mbps。”但目前来说5类缆尚难胜任。IEEE在1994年定义802.3u（100Base-T标准）时，保留了以太网的帧格式并将速度极限提升到100MBit/s。但将时钟速率增加十倍就意味着传送一帧所需的时间就减少到原来的十分之一。从而直接影响到网络的直径，从10Base-T的2千米缩短到100Base-T的200米。　由于千兆位以太网的时钟速度又比快速以太网快了十倍，因而网络直径要相应减少十倍。访问20米的网络很明显没有什么实用价值，所以802.3z（千兆位以太网标准）工作委员会已提出了一种保留100Base-T的200米冲突域的机制。

该委员会已重新定义了千兆位以太网的MAC层。这种使千兆位以太网得以保持200米的网络直径的机制称为载波扩展。

载波扩展使千兆位以太网延伸到可实用的距离，但也带来了弊端。用户数据将不能装载到短于512字节的帧的载波扩展部分。这样就不能有效地利用带宽。按最糟的情形计算，流量完全由64字节的帧组成，千兆位以太网的有效吞吐率将降到120Mbit/s。这仅仅只有总能力的12%，比100Base-T略高一点。

    从历史经验出发,今天用户迫切需要一类新的电缆,它应该安全适应下一代网络运行速率的需求,它只要使用简单的电子设备就能支持1000Mbps的速率,而且它可以成为未来的基础性电缆。此外,新的一类电缆必须与现有的所有5类电缆向后兼容,而且最重要的是它必须成为公认的业界标准。

 三、超5类电缆的标准

    随着千兆位以太网的出现，人们对新一代的电缆也越来越关注，但时至今日，有关标准还没有问世，ISO／IEC正在领导千兆位电缆的标准，ISO／IEC已经声称，第6类标准在若干月之后才有望完成。 6类标准和相关的Class E Link要求传输速率达到200MHz并与现有五类接插件兼容，是5类标准的两倍。同时，6类标准能保证未来的技术，如超过百米的千兆以太网（Gigabit Ethernet）1000Base-T。七类电缆将支持高达600 MHz的应用。EIA／TIA还正在制订第5E类标准，它将覆盖第5类和第6类标准之间的电缆性能。制定中的TIA/EIA超五类标准中将包括更高的信噪比要求和功率总和的要求，

　　“这两项标准分别在1998年底和1999年底才会正式颁布，
    在北美,TIA TR 41.8分委员会已经组建了一个研究小组,负责开发改进型双绞线电缆系统的技术标准和测试方法,在开发过程中,该研究小组将把下列因素考虑在内:

    ·将来电缆应用(如1000BASE-T)的需要;

    ·来自应用标准小组提供的数据;

    ·目前的5类4线电缆的技术标准;

    ·各种不同的替代产品如UTP/SCTP/STP;

    ·屏蔽性能/屏蔽完整性的稳定程度;

    ·在近端串扰、远端串扰、噪声、补偿等方面性能更佳的电缆型号;

    ·差分端接和普通方式端接的效应;

    ·可扩展到300MHz以上的准确测试方法。

    该研究小组还将开发铜质主干电缆的现场测试技术标准。与此同时,该研究小组还将解决改进型电缆的性能要求方面的问题。

    可以看出，未来标准的需求仍在不断变化之中，例如对布线参数回损、EL FEXT等的需求方面。届时，布线系统的生产厂商将面临为市场提供符合下一代布线系统标准的电缆。

    四、超5类电缆缆性能与结构特点

1  5类缆与超5类缆关键性能比较如下：　

　　a，PS－Next衡量一对线对抵销其余3对线对所产生的干扰的能力，单位是dB。ISO／IEC正在讨论，对于第6类通道，包括电缆和连接器，最小可接受的PS－Next值为37.1dB。对于5类是3.1dB（所有6类和5类的值都是在100MHz下给定）。

　　b，PS－ACR指示某一对线对上数字信号比其余3对线对的噪声信号强多少，单位是dB。对于第5类信道，最小值为3.1dB，对于第6类信道，大约为15.6dB。

　　c，返回损失衡量电缆对信号反射（这种反射干扰数据传输）处理能力的好坏，单位是dB。该数值高，说明只有少量的信号被反射，这正是网络管理者所希望的。对于5类信道，返回损失为10dB；对于6类信道，最小值大约为12dB。

　　d，传播延迟指示信号传过100米所需要的时间。第6类信道的传播延迟也许为536毫微秒；第5类信道则为538毫微秒。

　　e，延迟偏差指示最快的线对和最快的线对的传播延迟的差别。这种偏差是由于制造电缆的方法而造成的，因而是固有的。每对线对必然有不同的扭曲比率，这就意味着有不同的长度。ISO／IEC对第6类信道规定，50ns为最小可接受的延迟偏差，对第5信道则为45nS。

　　f，PS－El FEXT这是一种新的测试指标，用于6类电缆，它指示远端全话衰减的比率，单位为dB，该值越富越好。对于第6类信道，最小可接受的PS－EL FEXT值为20.2dB。　　

5类缆与6类最大的不同在于串音及回波损耗方面性能的改善。对于新一代全双工高速网络应用而言，优良回波损耗性能是极其重要的。串扰性能是掌握最好频带宽的因素，因为不可能加大其导体直径来改善其衰减性能。5类和6类电缆NEXT的比较如图 1。6类缆不仅频带宽高了一倍，其动态范围也大大提升了。

    阻止了千兆位以太网在UTP（非屏蔽双绞线）上运行（包括5类缆），其中真正的问题就是反射。理论上来说，只要在实际的信号通路中没有任何物体，千兆位以太网就可运行于5类铜线上。一旦在信号通路中接入了任何物体，如RJ-45插座，信号反射就开始出现。这些反射很容易使整个网络不稳定，并且几乎不可能准确地找出症结所在。

　　电信号反射及伴随出现的干扰并不仅限于千兆位传输。通过导体以10Mbit/s传输时，这个问题无关大局。100Mbit/s时，问题显得严重些。而在千兆位速率时，由于干扰引入的错误的出现概率又再增大了十倍，尽管开发高性能数字信号处理器来取消反射的影响是有可

能的，但成本将大大提高。

    2, 6类电缆结构及工艺

对于6类要采用特殊的设计技术和制造工艺，4线对电缆的生产的规格及内部物理间距绝对一致。使它在100MHz以上有稳定的性能, 并改进了双绞线几乎所有的关键电气性能。例如其性能可通过将每个线对的各个绝缘导线沿其纵轴紧紧粘合在一起而实现,这种工艺提供了一致的导线间距,一致的导线拉力以及一致的绝缘导线绞合力。另外,还可使用独特的护套设计技术从而消除线对在护套内出现松动的现象,并保障电缆优异的电气性能不会在安装期间降低或受到损害。此外,通过采用新的平衡方案,控制并最大限度地优化衰减和串扰两方面性能,从而实现了更好的衰减串扰比。

    6类电缆导体绝缘和电缆护层材料按不同的使用要求可使用聚烯烃，聚氯乙烯，含氟聚合物及低烟无卤热塑性材料。FEP具有很强的防火性，在解体之前它可以耐受高达800℃的温度。它也是一种高性能的绝缘体，非常适合数据高速传输。这两个特性使FEP成为通风空间采用UTP（无屏蔽双绞线）的关键。在高楼竖井和其他地方，FEP电缆也已大量取代了PVC电缆。聚氯乙烯，含氟聚合物中含有卤素在燃烧时散发出有毒雾状化学物质。它们能引起严重的呼吸损伤甚至危及生命。但卤素具有很强的抗燃性，加入电缆绝缘层中是为了提高电缆的燃点。如果电缆不着火的话，就根本不会散发出有毒的烟雾。卤绝缘层可以防止电缆燃烧，但如果电缆外壳着火，产生的烟雾也会导致死亡。这一矛盾的状况在卤素的应用中一直是争论的焦点。认识到这一潜在的危险性，相当多的国家已将无卤缆定为标准。但是，这种无卤缆的防火性能不如含卤缆，并且一旦金属氢氧化物消耗完，绝缘层就毫无保护地燃烧了。无卤缆适合于一般应用和高楼竖井中使用。要达到通风系统级别的要求，不得不加入过多的金属氢氧化物，以致于不再符合UTP的电气要求。

    用于6类布线的电缆一般使用UTP。UTP加上屏蔽层后,屏蔽层将改变整个电缆的电容及电感分布,增加了衰减,降低了双绞线的平衡性,平衡性能的下降会导致很强的耦合共模信号进入双绞线,双绞线与屏蔽层的耦合度很高,因此屏蔽层必须良好接地,而且整个系统必须全部是屏蔽器件,接续得非常好,否则这种共模信号将导致系统向外辐射,在频率高时尤为严重。为克服因屏蔽导致的衰减,就只能使用较粗的双绞线。而屏蔽双绞线(STP)只能作为跳线使用,支持距离仅为25米。

依据现有的资料,5类及6类电缆的性能比较列在下面的表2

表2  5类与6类电缆性能摘要

 五、产品开发及市场状况

　  在6类电缆产品的初期，价格与性能在市场上有很大差异。比起优良的5类产品来6类产品高出25～100%。标准公布后，价格会下降一些。标准使得产品生产厂更容易地大量打入市场。竞争也促使厂家改变其价格结构。千兆位电缆的价格应高于5类电缆15～35％ 。

尽管TIA／EIA超五类标准及ISO／IEC的六类、七类标准分别要在1998年底和1999年底才能正式颁布，现在已经有许多厂家发布了6类方面的电缆。可以确定，在今后的一年里，世界各地的厂家都将把6类产品推向市场，为厂家提供更好的效益，而5类电缆则开始走下破路。   

表3   6类电缆部分产品

随着新的千兆位以太网标准的推出，以太网在满足企业对经营关键性网络的需求方面将继续扮演领导角色。与10Mbps和100Mbps以太网在80年代和90年代主宰网络市场的情况类似，1Gbps以太网可望在进入21世纪后独领风骚。

根据北美的市场分析，6类产品的市场占有率将从1998年的10%提升到2003年的52%。6类产品会逐渐侵蚀5类的市场，3类产品则会在2001年的早期降到到1%占有率。

参考文献

1           赵忠厚·第五类电缆的简介·现代有线传输，1997，（4）

2           范载云·向“6”号数字通信电缆进军·中国通信学会通信线路专业第十四次学术讨论会论文集 1995年10月

3           李新平·千兆以太网—带刺的玫瑰·中国计算机用户，1998，（10）

4           安秋顺·1000Base-T LAN的构成·计算机世界，1997，（43）

5           高速网络呼唤新型电缆·计算机世界，1997，（18）

6           中华人民共和国通信行业标准 YD/T838.1-1996 数字通信用对绞/星绞对称通信电缆 第一部分

7           IEC 11561-1:1994 Multicore and symmetrical pair/quad cablrs for digital communications Part 1

值得学习